Cu박막은 산화막에 대한 접착력이 부족하고 또 한 산화막으로의 확산속도가 높아 접합층(glue layer) 겸 확산방지막(diffusion barrier)을 필요로 한다. Cu를 소자의 배선에 적용하기 위해서는 고 온까지 Cu와 화학적으로 안정하게 공존할 수 있 고, Cu의 확산과 산화를 막아주면서 접착력 또한 증진시킬 수 있는 재료로 Cu 박막의 외부를 완전 히 둘러싸야 한다. 또한 전기적 특성 측면에서 낮
은 비저항을 가져야 하며, 배선저항 측면을 고려 하면 Cu박막 두께의 10% 이내의 얇은 두께로도 우수한 확산방지막 특성을 가져야 한다. Cu의 확 산방지막으로는 TiN, TaN, WN 등의 물질들이 있으며 이들을 극초박막으로 구조 내부에 균일하 게 증착하는 것이 중요하며 금속전구체와 암모니 아 등을 이용해 ALD(atomic layer deposition)공 정으로 증착하는 기술이 연구되고 있다.
전자의 스핀물성을 이용하는 스핀트로닉스 (spintronics 혹은 spin electronics)는 전자의 자기 적 방향을 의미하는 스핀(spin)과 반도체로 대표 되는 전자기술(electronics)을 합성한 신조어이다.
즉 스핀트로닉스는 전자의 전하뿐만 아니라 스핀 정보 즉, 스핀업(spin-up)과 스핀다운(spin- down)을 구분하여 전자를 제어하며 그림에 나타 낸 바와 같이 광자기술(photonics)까지 포함하는 신개념의 포괄적 기술이다. 현재의 전자소자기술 은 정보처리를 위해 반도체 내에 전하를 전기장을 통해 제어하며, 전자의 스핀에 관계없이 전자가 채워진 상태와 비워진 상태를 하나의 신호로 이용 한다. 하지만, 차세대 정보기술은 전자가 지닌 스 핀의 업/다운을 구분하여 전자의 스핀과 전하를 동시에 제어하며 스핀상태를 또 하나의 신호체계 로 활용하는 조합기술인 스핀트로닉스에 상당 부 분 의존할 것이다. 지난 20세기가 전자의 전하를 이용한 반도체 기술이 전자산업에 많은 발전을 가 져왔다면, 21세기에는 전자의 스핀정보를 이용한
스핀트로닉스 기반의 IT산업이 실현될 가능성이 커지고 있다. 이미 이 기술은 금세기의 화두인 나 노기술(NT: nanotechnology)의 한 축을 이루고 있으며, 나노 수준의 소형화에 따라 예전에는 볼 수 없었던 새로운 양자역학적 현상이 구현되어 나 노 스핀트로닉스 분야로 기술의 발전이 지속적으 로 이루어지고 있다. 특히 반도체, 광자기술 등과 의 접목을 통해 다양하고 새로운 응용분야가 창출 되고 있다. 21세기에 들어서면서, 대용량의 정보를 초고속으로 처리할 수 있는 기술의 필요성이 커짐 에 따라 정보소자의 소형화, 고속화가 지속적으로 요구되고 있다. 또한, 무어의 법칙(Moore’s law) 에 의하면 2010년경에는 반도체 소자의 크기가 30nm 이하에 이르게 되며, 이는 곧 기존의 전하 제어 기술이 양자역학적 한계에 다다름을 의미한 다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 나노과학, 즉 양자역학을 기반으로 하는 신개념, 신기술의 연구 분야가 주목을 받는 현 시점에서 스핀트로닉스는 촉망 받는 중요한 연구분야 중 하나이다. 스핀트
(Spintronics)
양승만·최대근
한국과학기술원 생명화학공학과 [email protected], [email protected]
로닉스 분야는 고용량 초소형 고상 메모리 또는 드라이브와 같은 전자기계식 정보저장장치의 기 반기술로 현재뿐만 아니라 미래에도 큰 시장과 새 로운 응용분야의 창출이 예견된다. 이러한 관점에 서 스핀트로닉스는 21세기가 요구하는 정보기술 을 구현하는데 필수적인 분야로 인식되고 있으며 나노기술 중에서 가장 먼저 사업화가 이뤄질 것으 로 기대되는 분야이다.
전자의 스핀현상과 자성에 관한 연구는 오랜 역 사와 광범위한 응용에도 불구하고 이에 대한 학문 적 이해가 부족하였으나, 1990년대에 들어서면서 초진공 증착기술과 표면과학의 급속한 발전으로 나노미터 수준의 박막이 제조 가능하게 되었고, 거 대자기저항(GMR: giant magnetoresistance)과 터널자기저항(TMR: tunneling magnetoresist- ance)현상의 발견으로 자성소자분야의 연구 및 응용에 있어서 새로운 전환점이 마련되었다. 그리 고, 이를 이용한 정보저장 및 센서와 자기메모리 (MRAM: magnetic random access memory) 등의 기술이 획기적으로 발전해왔다. 거대자기저 항은 [그림 2]에 나타낸 바와 같이 두 개의 강자 성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어있는 형 태로 첫째층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되 어 있고 두번째 강자성체의 자력을 가변적으로 조 정하여 첫째층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방 향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는
원리를 이용한 것이다. 즉, 두 강자성층의 자화방 향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저 항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지 털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경 우는 GMR현상을 이용하여 하드디스크의 재생헤 드 및 자기장 센서 등에 응용되고 있고 이는 이전 에 존재했던 장치보다 약한 자기장을 감지할 수 있어 디스크 상에 보다 고집적화된 데이터를 저장 할 수 있게 된다. 두개의 금속 자성체 사이에 얇은 반도체 층이 끼워있는 소자인 자기터널접합 (magnetic tunnel junction)은 전류의 양자터널링 (quantum tunneling) 과정을 통하여 두개의 강 사성체 사이에 전류가 흘러가게 되며 전력을 끄더 라도 자기 상태 보존이 가능하여 앞에서 언급한 MRAM의 기본을 형성한다.
스핀트로닉스 기술의 종류는 크게 3세대로 분 류된다. 금속을 기반으로 한 소자로 스핀을 이용 하여 전하의 이동을 제어하는 1세대 기술로서 GMR 및 TMR 센서, MRAM, 스핀밸브 트랜지 스터(spin-valve transistors) 등이 있으며 이미 일부 기술은 상용화 단계에 있다. 2세대는 반도체 를 기반으로 스핀자체를 이용하여 정보를 저장하 고 처리하는 기술로서 현재의 반도체 공정기술이 이용 가능한 장점이 있으며 현재까지는 원천기술
Electronics Magnetics
Photonics Spintronic
그림 1. 스핀트로닉스와 관련 분야.
그림 2. Magnetic Tunnel Junction 소자의 원리.
개발단계에 있다. 이 소자가 성장 가능한 산업으 로 발전하기 위해서는, 강자성체 금속과 반도체를 경제적으로 결합할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 상 온에서 강자성체의 반도체를 만들 수 있어야 하며, 반도체 내부에서 오랫동안 스핀극성을 보존할 수 있어야 한다. 그리고, 3세대는 개개의 전자의 양자 스핀상태를 조작하는 기술이다. 다시 요약하면, 스 핀트로닉스 기술이란 전하 및 스핀의 제어를 통한 정보처리 및 정보저장용 소자 및 시스템을 개발하 는 기술로서 여러 분야에 응용될 수 있다. 이 가운 데 대표적인 예를 들면, 자성상태로 정보를 기록 하는 자기기록(magnetic recording)분야에서 하 드디스크용 메모리의 기록 밀도를 높이기 위하여 높은 coercivity를 갖는 물질의 개발과 이들을 정 렬하여 패턴화하는 기술연구, 차세대 메모리로 최 근 주목을 받고 있는 자기메모리(MRAM)에 대 한 연구를 비롯하여 GMR/TMR과 나노바이오칩 자성센서, 스핀소자(spin device)로는 spin FET(spin-polarized field effect transistor), 강자 성반도체(ferromagnetic semicon-ductor), spin- LED과 관련된 연구가 주목 받고 있다. 스핀극성 을 이용하는 spin FET는 전자를 채널 밖으로 밀 어내는 전통적인 FET에 비해 에너지 소모가 적 고 훨씬 빠르게 작동할 뿐 아니라 자화방향을 자 장으로 변화시킴으로써 동작 중에 기능을 변화시 킬 수 있는 추가적인 논리게이트를 구현할 수 있 다. 그러나 스핀 전류를 강자성체에서 반도체로 주입시키기 어렵기 때문에 아직까지 완벽한 spin FET 소자를 만드는 데는 성공하지 못하고 있다.
이러한 스핀트로닉스를 원자 레벨까지 적용하게 되면 새로운 양자(quantum) 컴퓨터를 만들 수 있게 되어 정보를 서로 다른 스핀 상태에 따라 저 장할 수 있게 되는데, 이진수 0과 1 대신에 스핀의 업(up), 다운(down) 혹은 이들을 섞는 방법으로 표현할 수 있게 된다. 따라서, 미래의 양자 컴퓨터
들은 하나의 전자가 업 혹은 다운 상태를 동시에 갖는 것을 이용하게 될 것이다. 또한, 빛에 의해 제어되는 나노 자성체물질인 광자기를 제어해서 저장매체로 쓰면 현재 기가급인 컴퓨터 저장공간 을 테라급까지 확장할 수 있고, 정보저장의 용도 외에 컴퓨터의 정보처리 속도를 좌우하는 메모리 기능의 향상에도 나노 자성체들을 사용 할 수 있 다. 현재 스핀트로닉스 기술은 미국의 IBM, Motorola, 일본의 Fujitsu를 비롯한 주요기업과 대 학에서 활발히 연구가 진행되고 있으며, 국내에서 도 삼성전자와 KIST를 비롯한 연구기관과 각 대 학에서 활발히 연구가 진행되고 있다.
이중, 스핀트로닉스와 관련하여 연구력이 가장 집중되고 있고 상용화에 가장 접근한 분야는 정보 저장기술 분야이다. HDD의 고집적화를 위한 재 생헤드와 비휘발성 메모리 소자인 [그림 3]과 같 은 MRAM이 그 대표적인 예이다. MRAM의 경 우 기존의 DRAM을 능가하는 성능과 더불어 비 휘발성 특성을 가지고 있어, 차세대 메모리로서 크게 주목 받고 있으며, 전 세계적으로 개발 경쟁 이 치열한 분야이다. 현재 우리나라는 메모리 반 도체(DRAM) 분야에서 세계 정상에 있지만, 10
그림 3. MRAM의 구조.
년 후에도 우리나라 반도체 산업이 세계 정상에 있을 것인가는 나노기술을 이용한 새로운 반도체 개발 여부에 달려있다고 해도 과언이 아니다. 무 어의 법칙에 따르면 10년 뒤에 반도체의 feature 크기는 현재의 수십 분의 일로 줄어들어야 하는데, 현재 반도체 공정기술과 생산비용을 감안한다면 그러한 크기의 DRAM을 상용화하기 위해서는 경제적, 기술적 어려움이 많다. 따라서 나노기술을 이용한 새로운 반도체 개발이 요구되고 있고, 그 중에서도 실리콘 반도체를 대신할 새로운 메모리 소자를 개발하는데 많은 과학자들이 관심을 가지 고 있다. 차세대 메모리로 부상하고 있는 자기메 모리(MRAM)는 나노 크기의 자석을 이용하여 각 자석에 N극과 S극을 인위적으로 배열하여 메 모리로 사용된다. 현재 개인용 컴퓨터의 하드디스 크는 속도가 느린 단점이 있고, DRAM은 기억용 량에 한계가 있다. 따라서, MRAM은 현재 기술 적 한계에 도달한 DRAM을 머지않아 대신할 수 있을 것으로 보인다. 나노기술의 발달로 MRAM 이 DRAM을 대신하게 되면, SRAM 만큼 빠르 고 비휘발성이어서 정보가 유실되지 않으며, 전력 소모가 거의 없고 제조 원가도 저렴하여 정보처리 와 정보저장을 동시에 처리할 수 있는 SRAM, DRAM과 FRAM(flash RAM)를 통합한 통합 메모리로서 각종 소형 디지털 정보가전 기기에 사 용될 수 있다. 또한, 컴퓨터에 내장된다면, 부팅과 정이 필요 없는, 컴퓨터(instant-on-computer)도 가능하게 된다. 현재 기가(giga)급 컴퓨터보다 성 능이 1000배 뛰어난 테라(tera)급 컴퓨터의 개발 에도 MRAM은 필수적이다. 일본 후지쯔사가 개 발한 3.5인치 자기 디스크의 경우, 크기가 같은 플 로피 디스크 저장용량의 1000배에 해당하는 1.3GB의 저장용량을 가지고 있기 때문에 세계 반 도체 메이커들은 21세기 반도체 산업의 패권을 좌 우할 자기반도체의 산업화를 위해 10년 전부터 엄
청난 투자를 하고 있다. 실제로, IBM은 2004년에 256M급 MRAM을 상용화할 예정이며, Motorola 는 2002년 6월 1M급의 MRAM을 발표하였고, 2004년 180nm급, 2006년 90nm급 프로세스의 MRAM을 상용화할 예정이다.
메모리 소자를 위한 반도체 공정에서 기기의 소 형화, 고집적화는 시간, 비용, 시료의 크기를 감소 시키고, 새로운 기능을 향상시키기 위해서 중요한 공정이다. 무어의 법칙에 의하면 앞으로 10년 후 면 약 20nm의 선폭을 가지는 소자들이 개발되어 야 하지만, 현재의 반도체 공정인 광식각으로는 해상도의 한계로 인해 100nm 이하의 패턴을 제조 하기는 힘든 것으로 알려져 있다. 즉, 현재의 반도 체 전자 소자를 조립하는데 필요한 미세가공기술 로 사용하고 있는 광식각(photolithography)기술 은 빛의 회절과 간섭 현상에 의한 한계 때문에 나 노 영역에는 제한적으로 밖에 사용할 수 없다. 이 에, 100nm 이하의 미세 패턴을 제조하기 위해서 전자빔(E-beam), X-선 식각법(lithography) 등 이 연구되고 있으나 고가의 장비와 공정시간의 긴 문제점 등을 안고 있다. 즉, 지금까지의 top-down 방식으로는 나노미터 수준의 소자를 만드는데 한 계에 봉착하게 될 것이며, 이러한 미세가공기술을 극복하는 기술로 bottom-up 접근 방식인 분자소 자 기술이 주목 받고 있으며, 최근 화학공학자나 화학자들이 이 분야에 관심을 가지고 연구하고 있 는 것도 같은 맥락에서이다. 분자소자는 자체의 분자 크기가 수 나노미터 크기 이하이며, [그림 4]
와 같이 분자의 자기조립에 의해서 미세 구조 형 성이 가능하기 때문에 현재의 반도체 칩보다 고집 적화된 메모리를 만들 수 있게 된다. 따라서, 무어 의 법칙이 예측하는대로 나노소자를 제작하기 위 해서는 기존의 top-down 방식과 함께 분자의 자 기조립성질을 이용하여 나노구조를 만드는 bottom-up 방식이 함께 병행 되어야 할 것이다.
우리나라의 전자산업은 D-램 반도체에 이어서 액정 디스플레이 분야에서도 세계 1위를 차지하 고 있다. 그러나, 전자산업의 특성상 새로운 제품 이 계속적으로 시장에 등장하므로, 선두를 유지하 기 위해서는 신기술 개발에 지속적인 노력이 필요 하다. 저렴한 인건비를 무기로 추격해 오는 중국 과의 경쟁에서 우위를 유지하기 위해서는 신기술 의 개발이 필수적이다. 평판 디스플레이 분야에서 차세대의 기술로 많은 기대를 모으고 있는 것이 유기EL 및 FED다. 본 고에서는 FED 기술에 대 해서 소개하고, 화학공학자가 기여할 수 있는 부
분에 대해서 간략하게 언급하고자 한다.
FED는 현재 TV에 사용되고 있는 브라운관을 납작하게 만든 것이다. 그러나, 브라운관은 전자총 이 한 개이고, 전자총에서 방출되는 전자의 흐름 을 조절하여 형광체가 발라져 있는 화면을 scan하 는데 반하여, FED는 각 픽셀마다 다수의 전자총 이 전자를 공급하므로 따로 전자의 흐름을 조절하 여 scan할 필요가 없다. FED 기술이 주목을 받는 이유는, ① 자체 발광 방식이므로 가시각이 넓고,
② 전기 사용량이 액정보다 적으며, ③ 넓은 온도 범위에서 작동이 가능하고, ④ 얇게 만들 수 있으
(Field Emission Display, FED)
이 건 홍
포항공과대학교 화학공학과, [email protected]
[그림 5]는 기억소자로 응용하기 위해 bottom- up 접근방식으로 블록공중합체의 자기조립을 이 용해서 약 20nm의 자성 나노패턴을 제작하고 반 응성이온식각과 아르곤이온식각 등의 건식식각법 에 의해 자성금속박막의 구조를 제어하여 약 650 Gbit/in2의 자성 금속 점(dot)들을 제조한 결과이
다. 블록공중합체의 자기조립을 이용할 경우 가격 이 저렴하고 공정이 용이할 뿐만 아니라 패턴크기 와 구조가 블록의 성질과 크기에 따라 조절이 가 능 하다는 장점이 있다.
그림 4. 분자의 자기조립에 의한 나노구조. 그림 5. 블록공중합체 자기조립에 의한 20nm 자성 금 속 점(magnetic metal dots).
